雙碳背景下農科院校能源與動力工程專業燃燒學課程教學改革

摘要：燃燒學課程是雙碳背景下能源與動力工程專業重要的必修課程，針對目前農科院校工科專業教學和科研現狀，結合該門課程的復雜性、學科交叉性及技術更新迅速的特征，對適應雙碳背景下人才需求的課程教學內容和數學設計進行了探討，提出適用性更強的教學方法和實踐手段，以拓展學生視野，激發學生自主學習能動性，掌握本專業的知識應用能力，培養適應新能源戰略下的具有創新力和競爭力的工程專業技術人才。

關鍵詞：碳達蜂；燃燒學；能源與動力工程；本科教育；實踐教學，課程改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）03-0120-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.03.022

0引言

化石燃料燃燒是我國主要的二氧化碳排放源，占全部二氧化碳排放的90%左右，為此，與燃燒相關的技術問題越來越受到重視，培養適應新形勢下的能源動力工程專業人才迫在眉睫。傳統高校能源與動力工程專業在人才培養過程中，存在理論與實踐脫節、授課模式單一、教學枯燥、未能與該領域最新技術發展相結合及原有知識體系更新緩慢等諸多問題。作為能源與動力工程專業的核心課程燃燒學在本科生教育教學中起到了舉足輕重的作用。讓學生了解燃料轉化過程和燃燒產物控制技術，掌握燃燒的基本原理和先進技術，將有助于學生實現現行課程標準中的相關規劃目標，為能源利用領域輸送高素質人才，實現碳減排過程中關鍵人才的高效培養。

基于目前高等學枝燃燒學課程設置和授課的特點，結合多年的教學經驗，提出了一些基于雙碳目標下燃燒學課程教學優化和改革的新思路，以滿足我國高校培養更適應國家戰略和發展的復合型能源與動力工程專業人才的迫切需求。

1教學模式立體化構建

基于現有本科教學課時的限制，僅僅運用課堂教學時間想要將燃燒學教材內容完全深入進行講解比較困難，因此提出“3位一體”綜合化教學模式。將教學內容由基礎到應用層層深入（一是理論基礎，主要為燃燒以動量、熱量、質量傳遞為核心的燃燒空氣動力學和化學反應動力學；二是基本原理和規律，燃料著火理論，不同燃料燃燒過程和特點；三是以實現碳達峰為目標啟迪學生自主探索燃燒熱門科技命題，將理論轉化為運用），以3種對應的教學模式（多樣性課堂教學，結合慕課及微視頻等自主探索互動解答和基于教師科研項目的創新訓練），構建基于主動式學習的多維評價體系（傳統閉卷考試、視頻學習與解答、科研實踐和報告），從而調動學生自主學習和應用的積極性，形成一個適應時代需求的教學內容學習方式一綜合評價的有機整體，鼓勵學生主動參與教學，教師重點講授教學和適應碳達峰要求的科研創新訓練有機結合，相互促進，提高學習效果。

1.1課程設計

（1）燃燒學課程內容豐富，要合理對教學內容進行課時分配。一方面確保課程內容可以完整講授，另一方面也可以實現教師講、學生探索和科研創新3者結合，獲得良好的教學效果。

（2）鼓勵學生結合慕課及微視頻進行學習分享，實行小組教學模式，由小組分工合作，尋找學習素材，積極探討，同時教師進行有效引導，對自主探索過程進行評價和監督。

（3）以科研創新帶動學習訓練。通過參與教師相關課題、文獻閱讀、科研實踐等，鼓勵學生積極主動發現問題，并進行有效解決，提高學生對燃燒相關領域的認識Ⅲ。

1.2課程實施

根據教學內容合理設計備課、教學和課后實踐等階段內容?？梢詫⒔滩闹须y以理解和重要的定義、機理及技術原理等知識進行著重教學。如在講解燃燒計算時，主要通過對化學方程式的回憶，掌握燃燒空氣量、煙氣量及耗氧量等各個計算公式的運算方法，而不僅僅是對公式的機械記憶。在燃料理論基礎部分，不需要對燃燒定律的推導過程進行死記硬背，而是要對燃燒定律、燃燒理論進行掌握。對各種理論模型，也著重在于理解和解釋，對推導過程可以弱化；再根據碳達峰下燃燒學先進技術運用視頻等模式進行介紹，也教授學生通過互聯網等進行自主學習探索；同時針對本科生的特點，選擇熱點課題進行科研創新前沿探索，通過查閱文獻、實踐訓練等，讓學生了解最新的燃燒技術（如微重力燃燒、富氧燃燒）、能源儲存和清潔燃燒等技術，引導學生從燃燒原理的角度對新技術進行解釋和優化。

2教學方法多元化實踐

2.1強化基本概念，突出重點難點

燃燒過程是一個化學熱力學與熱科學三傳現象耦合的復雜過程，產生了燃燒非線性動力學特性，火焰結構、火焰傳播速度、火焰穩定與波動，以及點火、熄滅、爆炸等眾多相變反應與化學反應融合的基礎知識，在講授過程中容易出現以下難點。①針對化學反應動力學、傳遞現象及阿累尼烏斯定律這些抽象的化學過程和物理本質理解困難。②學生對層流預混火焰、射流火焰、擴散火焰、液滴火焰和湍流火焰等缺乏直觀認識，課堂教學過程中學生理解和形象化認知困難。③著火與熄火及火焰傳播和穩定性理論，包括不同燃料燃燒的變化規律、火焰傳播、著火形式和條件等。

針對上述難點，在授課過程中，要及時幫助學生補充相關基本概念，通過聯想法和類比法，將燃燒定律與傳熱學、工程熱力學相關定律進行類比和重復，幫助學生溫故知新，增加理解和記憶。

2.2聯系實際案例，開展啟發式教學

在燃燒學課程講授過程中，要密切結合其他專業基礎課程如流體力學、熱力學和傳熱學等內容，將教學內容有機結合，深入淺出地將基本原理與實際應用相結合。對傳統動力裝置高效節能減排的需求進一步推動了燃料、燃燒理論和燃燒裝置等燃燒基本要素的創新與發展，結合碳達峰、碳中和背景，更可將國內外燃料技術、新型燃燒裝置及技術作為課程教學與實踐重點更新內容。對各類燃燒器實際運用進行分析，如射流燃燒器、旋流燃燒器和四角切圓燃燒鍋爐等，幫助學生深入理解氣、液和固燃燒不同的物理化學過程，理解燃燒過程的關鍵影響因素及控制方法，結合碳達峰和節能減排的戰略要求，了解燃燒過程的特征、燃燒產物的形成機理及控制方法。如固廢處置—一垃圾焚燒也在雙碳目標中發揮自己的作用，成為環保固碳的新星。利用工業實際案例，當下流行的AI工業大腦，對垃圾焚燒過程及煙氣處理進行精準控制，也是目前研究的新趨勢。

在課堂教學中，也可融人思政元素，進一步加強學生的家國情懷和使命感。如我國載人航天事業經過多年的探索與發展，取得了長足的進步。這個過程中，各種與燃燒相關技術的發展，離不開一代代科學家的艱苦奮斗?！皟蓮椧恍恰钡难兄普撸粤Ω?、艱苦奮斗，在及其艱苦的環境中，運用有限的科研和試驗手段，頑強拼搏，突破了一個個技術難關，把個人理想與祖國命運、民族復興聯系在一起，最終實現了原子彈、氫彈和人造衛星尖端技術的突破。還有中國自主研發的大型飛機中液體燃料燃燒關鍵技術的突破和創新，也是科學家卓越奮斗的結果。目前運用的各種燃料，作為未來能源的替代，也有很重要的實際意義。

2.3重視實踐教學，培養工程觀念

在實踐教學環節，尤其是在碳達峰與碳中和背景下，傳統的試驗內容無法使學生創新性地獲取最新的研究成果，造成本科生畢業時，對實際問題的專業認識度低，無法對實際工程中的問題運用系統的專業理論知識來解決。目前大部分任課教師都是科研教學雙肩挑，因此，在教學過程中，教師應該將創新性的科研成果融人到教學中，引領學生樹立創新性思維，提高對知識學以致用的有效轉化能力。傳統燃料分為氣體燃料、液體燃料和固體燃料3種類型，直接燃燒大量的固體燃料，是造成我國大氣污染的主要原因。在碳達峰背景下，水電、核電及新能源的占比將有所增加，但在我國，以煤為主的傳統能源結構仍然是主流。因此，在教學設計中對燃料的選擇和相關的燃燒新技術實踐教學尤為重要。在氣體燃料中，天然氣是目前研究的熱點。通過教材的學習，學生可以掌握天然氣燃燒的基本原理，同時可以應用傳統的本生燈實驗，幫助學生掌握點火、燃燒和氣體層流燃燒特性。對于與天然氣燃燒相關的基于燃氣輪機燃燒基本工作原理、轉化特性、燃氣輪機汽輪機聯合應用等內容，就需要進行融會貫通地深入講解，此時，傳統的實驗就無法滿足需求，通過課外實踐教學環節，建立校企聯合培養模式，提供學生課外實地學習機會，將更有助于學生掌握氣態燃料的燃燒與應用。在液體燃料中，可以搭建實驗平臺，自制霧化燃燒器，運用生物質液體燃料的制備與燃燒等一系列實驗內容，擴充教材內容，同時更好地幫助學生理解液體霧化、液滴燃燒等當下熱門的燃燒學熱點問題。這些新興的實驗與實踐教學過程，相較于傳統實驗，在雙碳目標與節能減排、新能源利用過程中，更有助于學生培養工程觀念。

以專業課的理論知識為基礎，結合燃燒學科研究的新進展設計適合于本科生知識體系的綜合性創新實驗課題是理論與實驗相融合、提高學生運用能力與創新能力的關鍵。

3教學手段合理化選擇

近年來，隨著網絡技術的大力發展，以雨課堂、慕課為主的多媒體教學成為教學過程中越來越重要的教學手段，可以積極調動學生的學習興趣。傳統教學中，對于液態燃料的燃燒過程，主要介紹石油的燃燒過程，在此背景下，運用新的生物質液體燃料進行教學，可以幫助學生更容易樹立替代能源使用的意識。教師可以運用動畫模擬液體燃料噴霧燃燒在內燃機、高壓霧化噴嘴燃燒器等設備中的霧化及燃燒過程，幫助學生掌握液態燃料所經歷的霧化、蒸發、混合、著火及燃燒等多個階段。對于比較基礎和重要的教學內容，尤其是基本概念和基本公式等，如空氣量及燃燒產物量計算方程的推導，仍采用傳統板書方式，這種方式不僅能提高學生對知識點的重視程度，還能使學生清楚地了解知識點之間的關聯與邏輯關系。同時，也提倡運用計算機輔助教學的手段，解決燃燒學實驗裝置投資較高，無法滿足大批量采購實驗設備的難題。利用CFD實驗資源開設數值模擬計算輔助教學實驗課程，鼓勵學生通過課堂及課后自學等形式對復雜燃燒問題的深入了解，加深對于燃燒過程中高效燃燒，控制排放等問題的理解，培養創新性思維。

4考核機制優化設計

在課程考核過程中，結合3位一體的教學模式，綜合考查學生在課堂表現、實踐技能和自主探索等整個課內外學習過程的全面表現，改變傳統的以期末考試成績為主的方式，采用各項成績累加式計分方法，避免學生只重視期末筆試，對知識點死記硬背。教學過程中，充分利用翻轉課堂的教學模式，可以將學生以宿舍為單位分組，采用每個課程模塊教學結束后，學生分組查閱相關資料，針對該模塊涉及的最新的科學問題在課堂上進行討論，并將小組表現進行評分計人到期末成績中。同時著力培養學生的科研興趣和科研能力，將學生主動學習和參與的科研實踐項目作為考察內容，鼓勵學生通過提高查閱文獻能力、實際動手能力等培養專業素養，更能夠在未來適應就業和升學的需求。

5課堂教學改革效果

通過一系列教學創新和優化，課程的教學改革成效顯著，主要體現在3個方面。

（1）緊密圍繞學科方向和國家戰略目標，將教師科研和課堂結合有機結合，增加了學生學習的深度和廣度，同時將研究熱點、專利成果轉化、工程運用有機結合，提升了課堂教學的實用意義。

（2）教學內容和評價指標更加具體，圍繞課程評價體系，將傳統單一授課模式向基于團隊合作的形式開展，通過直接和間接評價相結合的方式評價課程目標達成度，教學成果更加突出，學生潛能進一步得以開發。

（3）教師團隊在教學中也得到了充分的質量提升，在課程評價、專業評價、教學思政項目及講課比賽中都獲得了提升和優異的成績，激發了教師的教學熱情和科研水平，提升了專業人才培養質量。

6結束語

燃燒學作為能源與動力工程專業一門重要的專業基礎課，是本科先行課程工程熱力學、傳熱學及流體力學等知識的綜合運用和交叉。針對目前國內雙碳背景下對能源與動力工程專業人才的需求導向，對燃燒學教學過程采取相應的措施來改進教學效果。運用3位一體教學模式，在重視基本原理和基礎理論教學的同時也要重視燃燒先進技術和裝備的實踐教學，不斷更新教學內容，優化教學模式，加強學生實踐能力和自主探索能力，培養適應新能源戰略下的具有創新力和競爭力的工程專業技術人才。